Ünite 1: Temel Kavramlar ve Prensipler

Uçma Kavramı, Temel Tanımlar ve Atmosfer

En genel tanımıyla uçma kavramı, havadan hafif veya ağır cisimlerin (hava araçlarının) havada tutunarak hareket etmesi ya da hareket ederek tutunması olarak ifade edilebilir. Uçmayı ve ilgili kavramları daha iyi anlamak için belirli başlı kavramların hatırlanması gerekmektedir.

Temel Kavramlar ve Prensipler

Statik, cisimlerin, üzerlerine etki eden yükler altındaki dengesini inceleyen fizik dalıdır. Dinamik ise cisimlerin hareketini ve bu hareketi meydana getiren kuvvetleri inceleyen fizik dalıdır. Aerostatik ve aerodinamik, sırası ile hava içerisinde hareket eden bir cismin (hava aracının) denge ve hareket durumlarını incelemektedir.

Fizikte kullanılan büyüklükler genel özellikleri bakımından skaler büyüklükler ve vektörel büyüklükler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Skaler büyüklükler, sayısal değeri ve birimi verildiğinde tamamen belirli olan büyüklüklerdir. Vektörel büyüklükler ise etki noktası, doğrultusu, yönü ve şiddeti ile tanımlanan büyüklüklerdir.

Bir cismin bulundurduğu madde miktarı kütle (m) olarak adlandırılır. Hacim (V), bir cismin uzayda kapladığı yer miktarıdır. Belirli sıcaklık ve basınç değerleri altında, birim hacmindeki madde miktarı da yoğunluktur.

Sıcaklık bir maddenin, belirli bir ölçeklendirmeye göre soğukluğunu ya da ılıklığını yani ısıl durumunu gösteren niceliktir. Sıcaklık için Kelvin (°K), Celcius (Centigrade, °C) ve Fahrenheit (°F) gibi farklı ölçeklendirmeler kullanılabilmektedir. Mutlak sıfır, 0 °K veya -273 °C sıcaklık değerine eşittir. Teorik olarak mutlak sıfır sıcaklığına gelen bir maddenin iç enerjisinin sıfır olmasından dolayı bu maddenin daha fazla soğumasının mümkün olmadığı kabul edilmektedir.

Bir cismin, belirli bir yükseklikte (irtifada) konumunu koruması tutunma; herhangi bir referans noktasına göre pozisyonunun ve/veya konumunun değişmesi de hareket olarak tanımlanır. Hareket, gözlemin yapıldığı referans noktasına göre tanımlanmaktadır. Bir referans noktasına göre hareketli sayılan bir cisim başka bir referans noktasına göre hareketsiz olabilir. Bu izafi hareket olarak ifade edilir. Aerodinamikte de esas olan havaya göre yapılan izafi harekettir.

Bir cismin birim zamanda yaptığı yer değiştirme hız (V:m/s)olarak tanımlanır. Hız vektörünün yönü yer değiştirme vektörünün yönündedir. Bir cismin birim zamandaki hız değişimi ise ivme (a:m/s2) olarak tanımlanır. İvme vektörünün yönü, hız değişim vektörünün yönündedir.

Hareket eden bir cismin, hareketine başladığı noktaya göre t anında uzayda bulunduğu noktayı gösteren vektör konum vektörü; harekete başladığı nokta ile hareketini sonlandırdığı noktayı birleştiren vektör yer değiştirme vektörü olarak adlandırılır. Herhangi bir cismin hareketi sırasında, her t anında, uzayda bulunduğu noktaların oluşturduğu hatta ise yörünge adı verilir.

Cisimlerin şeklinde, hızında ve hareket yönünde değişiklik yapabilen etkiye kuvvet denir. Genellikle F harfi ile gösterilen kuvvetin birimi ise Newton (N) veya kgm/s2 ile verilir. Ağırlık, bir cisme etki eden yer çekimi kuvvetidir. Ağırlık kuvvetinin uygulama noktası, ağırlık merkezi olarak isimlendirilir. Ağırlık merkezi, cismin tüm kütlesinin toplandığı varsayılan bir noktadır.

Bir cisme uygulanan kuvvetin, cismi sabit bir referans noktası etrafında döndürme etkisine moment denir. Moment, moment kolunun büyüklüğü ve kuvvetin çarpımıdır. Moment kolu, kuvvetin uygulandığı nokta ile moment merkezi arasındaki dik uzaklık olarak tanımlanır. Moment vektörü, kuvvet ile moment merkezinin belirlediği düzleme, moment merkezinde dik olan bir doğrudur.

Durgun halde bulunan veya sabit hızda hareket eden cisimlerin durumuna o cismin denge hâli denir. Denge halinin iki koşulu vardır:

1. Cisme etki eden kuvvetlerin her eksen üzerindeki bileşenlerinin cebirsel toplamı sıfıra eşit olmalıdır.
2. Cisme etki eden kuvvetlerin bir noktaya veya bir eksene göre momentlerinin cebirsel toplamı sıfır olmalıdır.

Newton Kanunları

Newton Kanunları aşağıdaki gibidir:

• I. Kanun (Eylemsizlik Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır olduğunda cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareket ettiği doğru boyunca hızını değiştirmeden hareketine devam eder.
• II. Kanun (İvmelenme Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır değil ise cisim mutlaka ivmeli hareket eder. İvmenin büyüklüğü, uygulanan bileşke kuvvetin büyüklüğü ile doğru orantılıdır. İvmenin yönü ise bileşke kuvvetin yönündedir.
• III. Kanun (Etki – Tepki Kanunu): Herhangi bir cisim ikinci bir cisme bir etki kuvveti uygularsa ikinci cisim de birinci cisme, etki kuvveti ile aynı doğrultuda, zıt yönde ve eşit şiddette bir tepki kuvveti uygular.

Bernouilli ve Süreklilik Prensipleri

Basınç, birim alana etki eden kuvvet olarak tanımlanır. Basınç birimi olarak Pascal (Pa), Atm, psi, mmHg, inHg, bar gibi farklı tanımlamalar kullanılabilir. Basınç kavramı, aerodinamik kapsamında statik basınç ve dinamik basınç olmak üzere iki bileşenden oluşur. Statik basınç, , bir cisme içinde bulunduğu ortam maddesinin her yönde uyguladığı basınçtır. Dinamik basınç ise bir cisme içinde  bulunduğu ortam maddesinin sadece akış doğrultusunda uyguladığı basınç olarak ifade edilir.

Akma yeteneğine sahip, belirli bir şekilleri olmayan, içine kondukları kabın şeklini alabilen, üzerlerine bir kuvvet uygulandığında bu kuvveti her yöne ileterek basınca yol açan, bu kuvvet sonucunda katı bir cisim gibi kalıcı deformasyona uğramayan, viskozite özelliği bulunan maddeler akışkan olarak isimlendirilir. Viskozite: Bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsüdür. Hareket hâlindeki bir akışkanın her noktasındaki hız vektörünü teğet kabul eden hayalî eğri akım çizgisi; iki akım çizgisi arasında kalan bölge ise akım borusu olarak adlandırılır.

Bernouilli Prensibine göre, bir akım borusu içindeki sürekli bir akışta, akım çizgisi boyunca birim akışkan kütlesinin toplam basıncı sabittir. Buna göre, akış boyunca yoğunluğun sabit olarak kabul edildiği durumda, akım çizgisi boyunca incelenecek tüm noktalarda toplam basınç (PT) yani statik ve dinamik basıncın toplamı, birbirine eşittir ve sabittir. Süreklilik Prensibine göre ise, bir akım borusu içindeki sürekli bir akışta birim zamanda tüm kesitlerden geçen akışkan kütlesi (kütlesel debi) sabittir. Buna göre akış boyunca yoğunluğun sabit olarak kabul edildiği durumda, kesit alan azaldıkça akışkanın hızı artmakta; kesit alan arttıkça ise akışkanın hızı azalmaktadır.

Atmosfer

Günümüz sivil hava taşımacılığında kullanılan hava araçları uçma eylemini, dünyanın etrafını yüzeyden yukarı (uzaya) doğru uzanarak saran tüm bir hava kütlesinin oluşturduğu atmosfer adı verilen ortam içinde gerçekleştirmektedirler.

Uluslararası sivil havacılığın güvenli, emniyetli, verimli ve düzenli bir şekilde yürütülebilmesinde ve hukuki düzenlemelerin oluşturulmasında rehberlik etme amacıyla çalışan Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (International Civil Aviation Organization, ICAO) tarafından tanımlanan referans sistemine göre deniz seviyesi şartları aşağıdaki gibidir:

• Sıcaklık: 288 °K = 15 °C = 59 °F
• Basınç: 1 Atm = 760 mmHg = 1013,25 hPa
• Yoğunluk: 1,225 kg/m3
• Ses Hızı: 340 m/s

Aerostatik ve Aerodinamik Tutunma

Uçma tanımı içerisinde yer alan tutunarak hareket etme kavramı havadan hafif hava araçları kapsamındaki balon ve zeplin için geçerli olan aerostatik tutunmayı; hareket ederek tutunma kavramı ise havadan ağır hava araçları kapsamına giren uçak, planör, helikopter, vb. için geçerli olan aerodinamik tutunmayı ifade etmektedir.

Aerostatik Tutunma

Aerostatik tutunmada, hava içerisindeki bir cisim, işgal ettiği hacim kadar havanın ağırlığına eşit bir kuvvet ile aşağıdan yukarıya doğru itilir. Bu kuvvet havanın kaldırma kuvveti (FK ) olarak isimlendirilir.

Aerodinamik Tutunma

Aerodinamik tutunmada, cisim uygun form verilerek hava içerisinde uygun pozisyonda hareket ettirilmelidir. Bu şartlar altında, hava içerisindeki hareket sonucu cismin etrafındaki yüksek ve alçak basınçların dağılımı ile cisim üzerinde bir aerodinamik direnç kuvveti oluşur. Bu kuvvetin bileşenleri ile ağırlık dengelenerek havada tutunma sağlanabilir. Aerodinamik direnç kuvvetinin bileşenleri taşıma kuvveti (Lift, L) ve sürükleme kuvveti (Drag, D) olarak adlandırılır.

Uçak Üzerine Etki Eden Kuvvetler

Havada uçmak eylemini gerçekleştiren bir uçak üzerine, aerodinamik kuvvetler olarak taşıma kuvveti (L) ve sürükleme kuvveti (D), kütlesel kuvvet olarak ağırlık kuvveti (W) ve güç grubu kuvveti olarak da tepki (itki) kuvveti (T) etki eder.

Kanat Profili ve Özellikleri

Hava içerisinde hareket ettiklerinde hava akımına en az direnci gösterecek şekilde genellikle ön tarafı kütyuvarlak, arka tarafı sivri biçimde damla şekline yakın kesit formuna sahip olan cisimler akımsal forma sahip cisimler ya da kısaca akımsal cisim olarak isimlendirilirler.

Aerodinamik olarak akımsal forma sahip olan ve çok küçük pozisyon açılarında (hücum açısında) bile yeterli taşıma kuvveti oluşturabilecek elemanlar taşıyıcı yüzey olarak adlandırılır. Taşıyıcı yüzeylerin uçağın simetri düzlemine paralel bir düzlem ile kesilmeleri sonucu ortaya çıkan şekle ise profil şekli adı verilir.

Profilin Şekilsel ve Aerodinamik Özellikleri

Şekilsel olarak profilin ön-küt kısmının en ucu geometrik hücum kenarı; arka-sivri kısmının en ucu ise geometrik firar kenarı olarak isimlendirilir. Profilin geometrik hücum kenarı ile geometrik firar kenarını birleştiren doğru ise geometrik veter (doğrusu) olarak tanımlanır. Hava akımına maruz kalan bir profilde, hava zerreciklerinin profile ilk temas ettiği nokta aerodinamik hücum kenarı; hava zerreciklerinin profili en son terk ettiği nokta ise aerodinamik firar kenarı olarak adlandırılır. Profilin aerodinamik hücum kenarı ile aerodinamik firar kenarını birleştiren doğru ise aerodinamik veter (doğrusu) şeklinde tanımlanmaktadır. Profilin alt ve üst yüzeyleri arasında her noktada, vetere dik olarak ölçülen mesafe, diğer bir tanımlamayla, profil içine çizilen iç teğet çemberlerin çap uzunlukları kalınlık olarak isimlendirilir. Profilin alt ve üst yüzeyleri arasında her noktada, veter doğrusuna dik olarak çizilen doğru parçalarının orta noktalarının hücum kenarından firar kenarına birleştirilmesi ile oluşturulan hat, diğer bir tanımlamayla profilin içine çizilen iç teğet çemberlerin merkezlerinin hücum kenarından firar  kenarına birleştirilmesi ile oluşturulan hat ise eğrilik hattı olarak adlandırılır.

Profillerin Şekilsel Özelliklerine Göre Gruplandırılması

Profiller farklı özellikleri dikkate alınarak farklı şekillerde gruplanabilirler:

1. Dışbükey profil / İçbükey profil / Düzlem profil
2. Simetrik profil/ Asimetrik profil
3. Sübsonik profil / Transonik profil / Süpersonik profil

Hücum Açısı, Polar Eğrisi ve Polar Denklemi

Hücum açısı, bir profilde bağıl rüzgâr doğrultusu ile (aerodinamik) veter doğrusu arasındaki açı olarak tanımlanır. Hücum açısı değeri, taşıma ve sürükleme katsayılarının değerinde etkili bir faktördür.

Belirli bir hücum açısı değerine gelindikten sonra ise hücum açısındaki artışa rağmen taşıma katsayısının hızlı bir düşüş gösterdiği noktaya tutunma kaybı (stall) hücum açısı değeri denir.

Hücum açısına göre taşıma ve sürükleme katsayılarının değişimi ayrı ayrı eğriler halinde gösterilebileceği gibi, bu eğriler ortak değişkenleri olan hücum açısı dikkate alınarak birleştirilebilirler. Bir profil için belirli hücum açılarında, taşıma ve sürükleme katsayıları arasındaki ilişkiyi gösteren eğri polar eğrisi olarak adlandırılır.

Kanat Plan Biçimi, Kanat Açıklığı ve Kanat Açıklık Oranı

Bir kanata üstten veya alttan bakıldığında kanatın sınırlarını belirleyen yatay düzlem üzerindeki izdüşümüne kanat plan biçimi adı verilir. Havacılıkta uçaktan beklenen görev ve performanslara göre çok farklı kanat plan biçimleri kullanılmaktadır.

Kanatın bir serbest ucundan diğer serbest ucuna olan uzunluğu kanat açıklığı; kanat açıklığının ortalama veter uzunluğuna oranı ise kanat açıklık oranı olarak adlandırılır.

Kanat-Gövde Bağlantısındaki Açısal Özellikler

Kanata üç ayrı temel yönden bakıldığında görülebilecek kanat-gövde arasında tanımlanan açılar şu şekildedir:

• Dihedral açısı: Önden / arkadan bakıldığında görülen açı
• Kanat tespit açısı: Sağdan / soldan bakıldığında görülen açı
• Ok açısı: Üstten / alttan bakıldığında görülen açı

Sürükleme Kuvveti

Sürükleme kuvveti, bağıl rüzgâr hızına paralel doğrultuda ve hareket yönüne zıt yönde oluşan aerodinamik bir kuvvettir. Toplam sürükleme kuvveti, indüklenmiş sürükleme, parazit sürükleme ve dalga sürüklemesi bileşenlerinden oluşur.

İndüklenmiş sürükleme, kanat üzerindeki taşıma kuvvetinin etkisiyle oluşan sürüklemedir. Parazit sürükleme, yüzeyle hava arasındaki sürtünmeden oluşan yüzey sürtünme sürüklemesi, basınç dağılımı sebebi ile oluşan biçim sürüklemesi ve aerodinamik etkileşim sebebiyle oluşan girişim (aratesir) sürüklemesinden oluşur. Dalga sürüklemesi ise ses hızına ulaşan uçak üzerinde meydana gelen şok dalgalarının etkileri sebebiyle oluşan sürüklemedir.

Eğer uçak kanadı sonsuz açıklıkta olsaydı, hava doğrudan kanatın alt ve üst yüzeylerinden geçerek, hücum kenarından firar kenarına doğru düzgün bir şekilde akardı. Ancak gerçekte, kanat sonlu açıklığa sahip bir yüzey olduğundan, kanadın altındaki yüksek basınçlı hava, kanat uçlarından düşük basıncın oluştuğu kanat üstüne doğru hareket eder ve kanat uçlarında türbülanslı bir hava akımı oluşturur. Kanat uçlarında oluşan bu türbülanslı hava akımı sonucunda kanat ucu girdapları meydana gelir. Türbülans enerjiyi emer ve sürüklemeyi arttırır. Bu tip sürükleme indüklenmiş sürükleme olarak adlandırılır. İndüklenmiş sürükleme değerini azaltmak için ya kanat ucu girdaplarını ve etkilerini azaltıcı önlemler alınmalı ya da polar denklemi ifadesinde indüklenmiş sürükleme katsayısını oluşturan bileşenlerin değeri uygun şekilde ayarlanmalıdır. Kanat ucu girdaplarını ve etkilerini azaltmak için aşağıdaki yöntemlere başvurulabilir:

• Kanat uçlarını yukarı kıvırmak (winglet uygulaması)
• Kanat ucu plakaları kullanmak
• Kanat ucu yakıt tankı kullanmak (genellikle askeri uygulamalarda)

Yüzey sürtünme sürüklemesi, cismin hava içerisinde havaya nazaran hareketi sırasında hava zerrecikleri ile cismin yüzeyi arasındaki sürtünmeden dolayı oluşan kuvvettir. Türbülanslı ve laminar olmak üzere iki tip sınır tabakası bulunmaktadır. Laminar sınır tabakadaki hava zerrecikleri bir tabakadan diğerine doğru hareket etmezler. Türbülanslı sınır tabakada ise hava zerrecikleri bir tabakadan diğerine doğru hareket ederler. Türbülanslı akışta, laminar akışa göre sınır tabakası ve yüzey sürtünme sürüklemesi daha büyüktür. Yüzey alanının büyük olması, yüzey pürüzlülüğünün fazla olması ve sınır tabakasının türbülanslı olması yüzey sürtünme sürükleme kuvvetini arttırır. Yüzey sürtünme sürüklemesini azaltmak üzere sınır tabaka ayrılmasını geciktiren önlemler alınmalıdır. Bu yöntemler şu şekilde sıralanabilir:

• Maksimum kalınlığı daha geride olan profiller kullanmak
• Sınır tabakasının kinetik enerjisini arttırmak, yeniden enerjilendirmek (sınır tabaka kontrolü yapmak)

Biçim sürüklemesi, cismin şekli sebebiyle, hava içerisinde havaya nazaran harekette cisim üzerinde oluşan basınç dağılımındaki farkların yarattığı sürüklemedir. Girişim (aratesir) sürüklemesi, farklı uçak elemanları birbirine bağlandığında ortaya çıkan keskin köşeler sebebiyle oluşur. Dalga sürüklemesi, sadece ses hızındaki ve ses hızının üstündeki uçuşlarda ortaya çıkar.

Tutunma (Taşıma) Kaybı-Stall

Taşıma katsayısı ve hücum açısı arasında belirli bir hücum açısı değerine kadar doğrusal bir ilişki bulunmaktadır. Buna göre yüksek taşıma katsayısı için hücum açısının değeri de yüksek olmalıdır. Ancak CL ve ? arasındaki eğri hatırlanacak olursa hücum açısının belirli bir değerinde taşıma katsayısında ani bir düşüş yaşanmakta ve sonrasında da hücum açısı artmasına rağmen taşıma katsayısı düşmektedir. Bu keskin değişikliğin olduğu noktada yaşanan durum tutunma (taşıma) kaybı – stall olarak adlandırılır.

Bir uçağın belirli bir irtifada havada tutunabilmesi için gereken minimum hız stall hızı olarak adlandırılır.

Stall hızını doğrudan etkileyen faktörler şunlardır:

• Ağırlık
• Yoğunluk
• Kanat alanı
• Maksimum taşıma katsayısı
• Yük katsayısı

Yük katsayısı, herhangi bir cismin herhangi bir hareketinde üzerine etki eden kütlesel kuvvetlerin toplamının, ağırlığın şiddetine oranıdır.

Özellikle düşük hız durumunda taşıma kuvvetini desteklemek üzere kullanılan taşıma arttırıcı tertibatlar (flap, slat, slot) hücum açısı ve taşıma katsayısı değerlerini, dolasıyla da stall hücum açısı değerini ve stall durumunu etkiler.

Kanat üst yüzeyinde ve kanat hücum kenarında oluşan buzlanma stall hücum açısının ve maksimum taşıma katsayısının düşmesine sebep olur. Bu durum, uçağın normal şartlara göre daha düşük hücum açılarında stall durumuna girmesine sebep olur.